LUT Energia
Ympäristötekniikan koulutusohjelma
Karoliina Pluuman
LASKENTAMENETELMISSÄ TEHTÄVIEN VALINTOJEN MERKITYS
ALUEELLISEN LÄMMÖN- JA SÄHKÖNTUOTANNON KASVIHUONEKAASU- PÄÄSTÖJEN KANNALTA
Työn tarkastajat: Professori, TkT Risto Soukka Tutkijatohtori, TkT Jukka Heinonen
Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta
LUT Energia
Ympäristötekniikan koulutusohjelma Karoliina Pluuman
Laskentamenetelmissä tehtävien valintojen merkitys alueellisen lämmön- ja sähkön- tuotannon kasvihuonekaasupäästöjen kannalta
Diplomityö 2014
97 sivua, 13 taulukkoa, 41 kuvaa ja 3 liitettä Tarkastajat: Professori Risto Soukka
Tutkijatohtori Jukka Heinonen Ohjaaja: Tohtoriopiskelija Eeva Säynäjoki
Hakusanat: lämmön- ja sähköntuotanto, kasvihuonekaasupäästöt, laskentamenetelmävalin- nat, alueellinen energiantuotanto, allokointimenetelmät
Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää alueellisen lämmön- ja sähköntuotannon laskentamenetelmävalintojen vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin. Työn tutkimusky- symyksenä on, onko mahdollista, että laskentamenetelmän valinnalla on suurempi vaikutus alueen kasvihuonekaasupäästöihin kuin energiantuotantotekniikan valinnalla. Laskentame- netelmävalinnoista tutkitaan tarkemmin CHP-laitoksen päästöjen allokointitavan ja säh- könpäästöjen määrittämisen vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin.
Tutkimusmenetelminä työssä on käytetty kirjallisuuskatsausta sekä tapaustutkimusta. Kir- jallisuuskatsauksen aineistona käytetään tieteellisiä artikkeleita ja tutkimusraportteja. Ta- paustutkimuksessa tutkitaan yksittäistä case-kohdetta, joka on Tampereen Härmälänrannan uudisrakennusalue, ja jossa vertaillaan maalämpöpumppua ja kaukolämpöä alueen lämmi- tysratkaisuina.
Työn tuloksena todetaan, että on olemassa sellaisia tilanteita, joissa laskentamenetelmän valinnalla on suurempi vaikutus alueen kasvihuonekaasupäästöihin kuin energiantuotanto- tekniikan valinnalla. Lisäksi case-tarkastelun perusteella huomataan, että laskentamene- telmävalinnoilla on sitä suurempi merkitys, mitä enemmän CHP-laitoksessa käytetään uu- siutuvaa polttoainetta. Työn johtopäätöksenä voidaan todeta, että energiantuotannon kasvi- huonekaasupäästölaskennassa on syytä ymmärtää ja huomioida eri laskentamenetelmäva- lintojen vaikutus esitettyihin tuloksiin.
Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology
LUT Energy
Degree Program of Environmental Technology Karoliina Pluuman
The importance of the calculation method choices of greenhouse gas emissions from local heat and electricity production
Master’s Thesis 2014
97 pages, 13 charts, 41 figures and 3 appendices Examiners: Professor Risto Soukka
Postdoctoral researcher Jukka Heinonen Supervisor: Doctoral student Eeva Säynäjoki
Keywords: heat and electricity production, greenhouse gas emissions, calculation method choice, local energy production, allocation methods
The purpose of this master’s thesis is to study the importance of the calculation method choices of greenhouse gas emissions from local heat and electricity production. The re- search question is whether it is possible that the choice of calculation methods has a greater impact on the region's greenhouse gas emissions than the choice of energy production technology. From the choice of calculation methods, further evaluation is done for the al- location of CHP plant’s emissions and the determination of electricity’s greenhouse gas emissions.
As research methods the literature review and case study are used in this thesis. The mate- rials used in the literature review are scientific articles and research reports. In the case study a single case is examined. The case study area is a new building zone in Härmä- länranta in Tampere and the comparison of the heating solution is made between geother- mal heat pumps and district heating.
As a result of the study, it is found that there are situations in which the choice of calcula- tion methods has a greater impact on the region's greenhouse gas emissions than the choice of energy technology. In addition, it was found that the choice of calculation methods is more important, the more the CHP plant uses renewable fuel. In conclusion of the study can be noted that in the greenhouse gas emission calculation of energy production it is im- portant to understand and take into account the effects of the choice of calculation methods on the results presented.
Tämä diplomityö toteutettiin Aalto-yliopiston, VTT:n ja SYKE:n yhteiseen KEKO B - projektiin liittyen. Haluan kiittää kaikkia projektiin osallistuneita mielenkiintoisesta pro- jektista ja kiinnostavasta diplomityöaiheesta.
Kiitos Risto Soukalle ja Jukka Heinoselle työni tarkastamisesta ja ohjaamisesta. Lisäksi haluan kiittää työni ohjaajaa Eeva Säynäjokea kannustavasta ohjauksesta. Suuri kiitos myös kiinteistöliiketoiminnan muulle henkilökunnalle hyvästä työilmapiiristä ja neuvoista diplomityöprosessin aikana.
Kiitos myös perheelleni, joka on tukenut ja kannustanut minua opinnoissani, sekä ystävil- leni hyvistä neuvoista ja vertaistuesta.
Wiesbadenissa 20.9.2014
Karoliina Pluuman
SYMBOLILUETTELO ... 2
1 JOHDANTO ... 4
1.1 Tutkimuksen tavoitteet ... 7
1.2 Tutkimuksen rajaukset ... 7
1.3 Tutkimusmenetelmät ... 8
1.4 Tutkimuksen aineisto, kulku ja rakenne ... 9
2 ENERGIANKULUTUS JA -TUOTANTO SEKÄ ALUEELLISET ENERGIARATKAISUT SUOMESSA ... 12
2.1 Energiankulutus ja -tuotanto Suomessa ... 12
2.2 Alueellinen energiantuotanto ja energiaverkot ... 20
3 ENERGIANTUOTANNON ELINKAARENAIKAISET KASVIHUO- NEKAASUPÄÄSTÖKERTOIMET ... 35
4 KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖLASKENNAN LASKENTAMENE- TELMÄVALINNAT ... 41
4.1 CHP-tuotannon päästöjen allokoiminen ... 41
4.2 Sähköntuotannon kasvihuonekaasupäästöt ... 47
5 CASE: HÄRMÄLÄNRANTA ... 50
5.1 Laskentaperiaatteet ... 54
5.2 Laskenta ... 58
5.3 Case-tarkastelun tulokset ... 69
6 TUTKIMUSTULOSTEN ANALYSOINTI ... 72
7 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 82
8 YHTEENVETO ... 86
LÄHTEET ... 88 LIITTEET
Liite I Sähköntuotannon energiamuotojen elinkaarenaikaiset kasvi- huonekaasupäästöt kirjallisuuden perusteella
Liite II Sähköntuotannon keskiarvoisen kasvihuonekaasupäästökertoi- men laskenta
Liite III Lämmitystarveluvut Tampereella 1971–2000
SYMBOLILUETTELO
E energia [GWh/a], [GWh/kk]
F laskennallinen energiamuodon polttoaineiden kulutus yhteistuo- tannossa [GWh/a]
F’ vaihtoehtoisen energiamuodon erillistuotannon polttoainekulu- tus [GWh/a]
SN lämmitystarveluku [%]
t aika [kk]
η hyötysuhde [-]
Alaindeksit
e sähkö
h lämpö
kk kuukausi
lkv lämpimän käyttövedentarve
lä lämmitysenergiantarve
p teho
Lyhenteet
ALCA haitanjaollisen lähestymistavan elinkaariarviointi (engl. attribu- tional life cycle assessment)
CHP yhteistuotantolaitos (engl. combined heat and power) CLCA seurausvaikutuksellisen lähestymistavan elinkaariarviointi
(engl. conseguential life cycle assessment) CO2-ekv. hiilidioksidiekvivalentti
COP-luku lämpöpumpun lämpökerroin eli tuotetun lämmön suhde käytet- tyyn sähköenergiaan
DN nimellinen halkaisija milleissä (engl. diameter nominal) EEA Euroopan ympäristökeskus (European environmental agency) ERA17 Energiaviisaan rakennetun ympäristön aika 2017
HINKU Kohti hiilineutraalia kuntaa –hanke
HSY Helsingin seudun ympäristöpalvelut
IEA Kansainvälinen energiajärjestö (engl. International Energy Agency)
IPCC Hallitustenvälinen ilmastonmuutospaneeli (engl. Intergovern- mental Panel on Climate Change)
ka keskiarvo
KASVENER Alueellinen kasvihuonekaasupäästöjen arviointimalli KEKO Kaupunkien ja kuntien alueellinen ekolaskuri
KL kaukolämpö
KURKE Kunnallisen rakentamisen kestävät energiaratkaisut -laskuri LCA elinkaariarviointi (engl. life cycle assessment)
LCC elinkaarikustannusarviointi (engl. life-cycle cost analysis)
MLP maalämpöpumppu
ORC Organic Rankine Cycle -prosessi
pa polttoaine
RES-direktiivi Uusiutuvan energian direktiivi
toe öljyekvivalenttitonni (engl. tons of oil equivalent)
UNFCCC YK:n ilmastonmuutoskonventti (engl. The United Nations Framework Convention on Climate Change)
WWF Maailman luonnonsäätiö (engl. World Wide Fund for Nature)
1 JOHDANTO
Ilmastonmuutoksen hillitseminen on edelleen ajankohtainen aihe, vaikka Kioton velvoite- kausi päättyikin vuoteen 2012 eikä uutta sitovaa kansainvälistä ilmastosopimusta ole vielä saatu sovittua. Vuonna 2010 hallitukset YK:n alaisuudessa sopivat, että kasvihuonekaasu- päästöjä on vähennettävä niin, että globaali lämpötilannousu jää alle kahden Celsius-asteen (UNFCCC 2013). Kansainvälisten ilmastotavoitteiden lisäksi monet alueet, maat ja kau- pungit ovat määritelleet omia ilmastotavoitteitaan.
Suomi on muiden EU-maiden tavoin sitoutunut vähentämään kasvihuonekaasupäästöjään.
Tämänhetkinen päästötavoite on niin sanottu Eurooppa 2020 -suunnitelma, jonka mukaan EU-maat pyrkivät vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä 20 prosenttia verrattuna vuoden 1990 tasoon, nostamaan uusiutuvan energian osuuden 20 prosenttiin energian loppukäytös- sä ja parantamaan energiatahokkuutta 20 prosenttia. Kyseiset tavoitteet tulee täyttää vuo- teen 2020 mennessä. EU:n päästövähennystavoite nousee 30 prosenttiin, jos muut kehitty- neet maat sitoutuvat vastaaviin päästövähennyksiin ja taloudellisesti edistyneemmät kehi- tysmaat sitoutuvat riittävässä määrin päästöjen vähentämiseen. (European commission 2010, 11.) Tavoitteet ovat EU:n yleistavoitteita, jotka on sovitettu kansallisiksi tavoitteiksi.
Suomen osalta kansallinen hiilidioksidipäästöjen vähennystavoite on 16 prosenttia, ener- giatehokkuus eli energiakulutuksen vähennys on 4,21 Mtoe ja uusiutuvan energian tavoite on 38 prosenttia energian loppukäytöstä. (Euroopan komissio 2013.) EU:n 20-20-20 tavoit- teiden lisäksi Suomessa on sitouduttu myös ERA17 eli Energiaviisaan rakennetun ympäris- tön aika 2017 -toimintaohjelmaan. ERA17 sisältää EU 20-20-20 tavoitteet, mutta ne pyri- tään täyttämään jo vuonna 2017, jolloin Suomen itsenäistymisestä on kulunut sata vuotta.
(Martinkauppi (toim.) 2010, 17–18.)
Suomi on tällä hetkellä saavuttamassa Kioton sopimuksen ensimmäisen velvoitekautensa tavoitetason (Tilastokeskuksen katsauksia 2013, 10). Kansallisen ilmasto- ja energiastrate- gian taustaraportissa (2013, 72) todetaan, että strategiassa kuvatun perusskenaarion mukai- nen kehitys olisi suurelta osin täyttämässä EU:n vuodelle 2020 asettamat tavoitteet kasvi- huonekaasupäästöjen, energiatehokkuuden ja uusiutuvan energian osalta. Raportissa tode- taan myös, että Euroopan unionin 2050 vuoden 80 prosentin päästövähennystavoite vaatii
kuitenkin perusskenaarion lisäksi EU:lta paljon muita toimenpiteitä vähähiilisen yhteis- kunnan saavuttamiseksi.
Suomessa ylivoimaisesti suurin kasvihuonekaasujen päästölähde on energiasektori, jonka osuus kokonaispäästöistä oli vuonna 2011 noin 80 prosenttia. Muita merkittäviä päästöläh- teitä Suomessa ovat teollisuusprosessit ja maatalous. (Tilastokeskuksen katsauksia 2013, 10.) IEA arvioi, että maantieteellisesti kaupungit ovat vastuussa yli 70 prosentin osuudella energiantuotannon kasvihuonekaasupäästöistä (World Energy Outlook 2008, 180). Kau- pungeilla onkin näin ollen suuri merkitys kasvihuonekaasupäästöjen vähentämistoimissa.
Lähienergiaratkaisut on nähty yhtenä tärkeänä keinona vähentää kasvihuonekaasupäästöjä (Kansallinen ilmasto- ja energiastrategia 2013, 19, 26, 32). Tämän vuoksi aluenäkökulman huomioiminen ilmanmuutoksen vastaisissa toimissa on tärkeää. Termeillä ”aluetasoinen”
ja ”alueellinen” tarkoitetaan tässä työssä maantieteellistä rajausta, joka voi olla kokonainen kaupunki, kunta, useammista kunnista koostuva alue tai kaupungin tai kunnan mikä tahan- sa yksittäistä tonttia tai rakennusta suurempi osa, esimerkiksi asuntoalue tai kortteli.
Kaupungeilla on paljon vaikutusmahdollisuuksia ja halua tehdä ilmastotyötä. Hoornwegin et al. (2011) tutkimuksen mukaan kaupunkien on helpompi reagoida kansalaisten toiveisiin ja pyrkimyksiin kuin korkeamman tason hallinnon, ja näin ollen kaupunkien pyrkimyksillä on huomattava maailmanlaajuinen vaikutus. Hoornweg et al. mukaan esimerkiksi USA:ssa 1 017 kaupunkia on sitoutunut Kioton pöytäkirjan tavoitteisiin, kun taas kansallinen halli- tus on kieltäytynyt allekirjoittamasta sopimusta. Kansallisen ilmasto- ja energiastrategian taustaraportin (2013, 28) mukaan Suomessa moni kunta on sitoutunut vähentämään kasvi- huonekaasupäästöjään ja yli 40 prosenttia Suomen kunnista tekeekin suunnitelmallista il- mastotyötä ja noin kolmannes on laatinut oman ilmastostrategiansa. Tällaisia hankkeita ovat esimerkiksi HINKU-hanke, jossa mukana olevat kunnat ovat sitoutuneet 80 prosentin kasvihuonekaasupäästövähennykseen vuoteen 2030 mennessä vuoden 2007 toimiessa ver- tailutasona. Muita alueellisia hankkeita ovat muun muassa ECO2- Ekotehokas Tampere 2020, jonka tavoitteena on toteuttaa kaupungin ilmastositoumukset sekä kehittää ekoteho- kasta ja vähähiilistä kaupunkia, sekä Skaftkärrin asuinalue Porvoossa, jossa pyritään luo- maan energiatehokas asuinalue. (HINKU-foorumi, Tampereen kaupunki 2013a, Rajala et al. 2010, 11–15.) Kansainvälisesti ja kansallisesti on myös kehitetty ja kehitetään edelleen erilaisia laskentatyökaluja rakennusten ja alueiden energia- ja ekotehokkuusvertailuun.
Tällaisia kotimaisia laskureita ovat esimerkiksi KURKE - Kunnallisen rakentamisen kestä- vät energiaratkaisut -laskuri ja KEKO B - Kaupunkien ja kuntien alueellinen ekolaskuri (KURKE 2013, Kaupunkien ja kuntien alueellinen ekolaskuri - KEKO B 2013).
Ei kuitenkaan ole aina itsestään selvää, että hankkeista ja laskureista saadut tulokset osoit- tavat yksiselitteisesti eri vaihtoehtojen paremmuusjärjestyksen kasvihuonekaasupäästöjen osalta. Tämä johtuu siitä, että kasvihuonekaasupäästölaskennan takana on eri laskennan vaiheita, joissa on tehty laskentamenetelmävalintoja. Nämä laskentamenetelmävalinnat puolestaan vaikuttavat energiantuotannon kasvihuonekaasupäästölaskennasta saatuihin tuloksiin ja kasvihuonekaasupäästölaskennan nämä tuloksiin vaikuttavat valinnat on esitet- ty kuvassa 1.
Kuva 1. Energiantuotannon kasvihuonekaasupäästöihin vaikuttavat valinnat.
Kasvihuonekaasupäästöjen tulokset ovat näin ollen riippuvaisia energiatekniikan lisäksi erilaisista laskentavalinnoista. IPCC (2006, 10–11) esittää, että monet eri epävarmuusteki- jät vaikuttavat kasvihuonekaasupäästöjen inventointiin ja sitä kautta kasvihuonekaasupääs- tölaskennan tuloksiin. Huijbregts (1998) taas nostaa elinkaarilaskennan yhdeksi epävar- muudeksi ja tuloksiin vaihtelevuutta aiheuttavaksi tekijäksi päätöksistä johtuvat valinnat, kuten usean tuotoksen prosessin allokointitavan valinnan. Laskentamenetelmävalinnoista johtuvia kasvihuonekaasupäästölaskelmien eroja on käsitelty myös mediassa. Esimerkiksi Helsingin Sanomissa tästä asiasta kirjoitettiin Kasvihuonekaasupäästöjen erilaiset laskuta- vat hämmentävät -artikkelissa, jossa todettiin, että erilaiset laskentatavat ja niistä johtuvat erilaiset tulokset hämmentävät ilmastonmuutoksesta huolestuneita kansalaisia (Pyykkönen 2008).
Onkin tärkeä ymmärtää erilaisten laskentamenetelmävalintojen vaikutukset energiantuo- tannon kasvihuonekaasupäästölaskennan tuloksiin. On myös tärkeää ymmärtää ja tunnistaa
Kasvihuonekaasupäästölaskennan tuloksiin vaikuttavat valinnat
Energiatekniikan valinta Kasvihuonekaasu-
päästökertoimen valinta Laskentamenetelmävalinnat
sellaiset tilanteet, joissa laskentamenetelmän valinta saattaa vaikuttaa kasvihuonekaasu- päästölaskennan lopputulokseen enemmän kuin valittu energiatekniikka.
1.1 Tutkimuksen tavoitteet
Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää alueellisen lämmön- ja sähköntuotannon laskentamenetelmävalintojen vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin. Alueellisella energi- antuotannolla tarkoitetaan tässä työssä energiaratkaisuja, joiden ensisijainen tarkoitus on palvella alueen rakennuskohteita. Käytännössä alueellista energiantuotantoa ovat lämpö- pumput, aurinkosähkö- ja lämpö, pientuulivoimalat, CHP- tai lämpölaitokset ja -kattilat, jotka tuottavat lämpö- tai sähköenergiaa rakennuskohteiden käyttöön. Lämmön- ja sähkön- tuotannon kasvihuonekaasupäästölaskennan tuloksiin vaikuttavat tietyt valinnat, kuten joh- dannossa aiemmin todettiin. Tässä työssä on haluttu perehtyä energiatekniikan valinnan ja laskentamenetelmävalintojen vaikutuksiin kasvihuonekaasupäästölaskennassa.
Tämän työn tutkimuskysymys on
Onko mahdollista, että laskentamenetelmän valinnalla on suurempi vaikutus alueen kasvihuonekaasupäästöihin kuin energiantuotantotekniikan valinnalla?
Laskentamenetelmävalinnoista käsitellään tarkemmin CHP-laitoksen kasvihuonekaasu- päästöjen allokointitavan ja sähkön kasvihuonekaasupäästöjen määrittämisen vaikutuksia alueellisen lämmön- ja sähköntuotannon kasvihuonekaasupäästöihin. Työssä tehdään case- tarkastelu, jossa tutkittavan alueen lämmitysratkaisuina vertaillaan CHP-laitoksessa tuotet- tua kaukolämmön ja maalämpöpumpun kasvihuonekaasupäästöjä tutkimuskysymyksen näkökulmasta. Case-kohteena on Tampereen Härmälänranta, jonne on tehty myös aiempaa tutkimusta lähienergiaratkaisuihin liittyen (Ristimäki et al. 2013).
1.2 Tutkimuksen rajaukset
Tässä työssä tarkastelu on rajattu koskemaan sähkön- ja lämmöntuotannon kasvihuonekaa- supäästöjä. Työssä käytettävät kasvihuonekaasupäästökertoimet ovat elinkaarisia päästö- kertoimia, jotka ovat peräisin kirjallisuuskatsauksen tuloksista. Elinkaariarviointi tarkoit- taa, että tarkastelussa otetaan huomioon tuotteen tai palvelun koko elinkaaren aikaiset ym-
päristövaikutukset. Tässä työssä toiminnallinen yksikkö on uudisrakennusalueen lämmön- ja sähköntarve vuoden aikana. Toiminnallisella yksiköllä tarkoitetaan tuotantojärjestelmän määrällistä suorituskykyä, jota käytetään referenssiyksikkönä esimerkiksi vertailtaessa tulosta toisen tuotantojärjestelmän kanssa. (ISO 14040.) Tässä työssä kasvihuonekaasu- päästöt huomioidaan raaka-aineiden hankinnasta, rakentamisesta ja käytöstä aina tuotteen hävittämiseen ja rakennuksen purkuun. Järjestelmän rajaamisella tarkoitetaan sitä, mitkä yksikköprosessit elinkaariarviointiin otetaan mukaan. Järjestelmän rajat tulee valita yh- denmukaisesti selvityksen tavoitteiden kanssa. (ISO 14044.) Tässä työssä järjestelmän ul- kopuolelle on rajattu CHP-laitoksessa tuotettu sähköenergia.
Koska tarkastelussa keskitytään tutkimaan Suomessa syntyviä kasvihuonekaasupäästöjä, sähköntuotanto on rajattu koskemaan vain Suomessa tuotettua sähköä. Jos sähkön kasvi- huonekaasupäästöt laskettaisiin koko sähkömarkkinat käsittävältä alueelta, laskennasta tulisi liian monimutkainen, sillä pohjoismaiden, Viron ja Liettuan lisäksi Nord Pool -alue on yhdistetty Venäjän, Puolan ja Saksan sähkömarkkinoihin.
1.3 Tutkimusmenetelmät
Tässä diplomityössä tutkimusmenetelminä käytetään kirjallisuuskatsausta ja tapaustutki- musta. Creswellin (2009, 23–26) mukaan kirjallisuuskatsaus on metodi, jossa kootaan jo olemassa olevan tutkimuksen tuloksia, joita käytetään sitten uuden tutkimuksen aineistona.
Hänen mukaansa kirjallisuuskatsaus kertoo aiheesta aiemmin tehdyn tutkimuksen tulokset ja rinnastaa tutkimuksen laajempaan kirjallisuusdialogiin täyttäen ja laajentaen vanhoja tutkimuksia. Finkin (2010, 3) määrittelee kirjallisuuskatsauksen systemaattiseksi, täsmälli- seksi, toistettavissa olevaksi metodiksi, jolla voidaan tunnistaa, arvioida ja tiivistää valmii- na olevaa tutkimustietoa. Kuvassa 2 on esitetty Creswellin suositus kirjallisuuskatsauksen etenemisestä.
Kuva 2. Creswellin suositus kirjallisuuskatsauksen etenemisestä (Creswell 2009, 29).
Tapaustutkimuksessa tutkitaan yksittäistä tapahtumaa, rajattua kokonaisuutta tai yksikköä, käyttämällä eri menetelmillä hankittuja tietoja. Tapaustutkimus voidaan jakaa tutkivaan, kuvailevaan ja selittävään strategiaan. Tutkimuskysymykset määritellään pääasiassa miten ja miksi -kysymysten avulla. (Yin 1994, 3–13.) Tapaustutkimuksessa tarkoitus on lisätä tietoa tietystä ilmiöstä siihen liittyvässä kontekstissa. Menetelmä ei tarjoa yleistettävää tietoa, mutta saatu tieto voi ylittää yksittäistapauksen. Lisäksi tulosten arvioinnissa tuloksia voidaan pohtia laajemmassa kontekstissa, varsinkin mikäli aineistosta ja analyysistä on esittää tarkka kuvaus. (Saaranen-Kauppinen & Puusniekka 2006.) Yhden tapauksen ta- paustutkimuksella voidaan tehdä yleistys, että jos väite on voimassa tässä tapauksessa, se on voimassa kaikissa samankaltaisissa tapauksissa. Samankaltaisesti sillä voidaan yleistää, että jos väite ei ole voimassa tässä tapauksessa, se ei myöskään ole voimassa missään sa- mankaltaisessa tapauksessa. (Flyvbjerg 2006.) Jos tapaustutkimusten määrää lisätään, voi- daan niiden avulla todentaa, että tietyllä yksittäisestä tapauksesta luodulla teorialla voidaan tutkia tietynlaisia tapauksia tai vaihtoehtoisesti kumota se, ettei luotu teoria sovellu tietyn typpisiin tapauksiin. (Eisenhardt & Graebner 2007.)
1.4 Tutkimuksen aineisto, kulku ja rakenne
Tämän työn kirjallisuuskatsauksen aineistona käytetään tieteellisiä artikkeleita sekä tutki- musraportteja, kuten Tilastokeskuksen ja Euroopan komission julkaisuja. Kirjallisuuskat- saus aloitettiin määrittelemällä työn avainsanat, joilla aineistoa haettiin. Taulukossa 1 on esitetty tämän työn kirjallisuuskatsauksen aineistonhaussa käytetyt avainsanat ja avainsa- nojen yhdistelmät.
Avainsanojen tunnistus tutkimuksen
aihetta yksilöimällä tai alustavalla
lukemisella
Aineistonhaku kirjastosta ja
Internetin tietokannoista
avainsanoja käyttäen
Rajataan haku noin 50 tieteelliseen artikkeliin tai kirjaan, jotka
liittyvät tutkittavaan
aiheeseen
Rajataan aineistoa edelleen tutkimalla tarkemmin
niiden hyödylisyyttä tutkimukselle
Taulukko 1. Kirjallisuuskatsauksen aineistonhaussa käytetyt avainsanat ja avainsanojen yhdistelmät.
Avainsanat LCA, Greenhouse Gases (GHG), GHG reduction, built environ- ment, energy network, electricity production, marginal electrici- ty, district heat, CHP production, ground source heat pump Avainsanojen yhdis-
telmät
GHG reduction + grid, GHG reduction + electricity, LCA + en- ergy, uncertainty + LCA, uncertainty + GHG
Näiden avainsanojen avulla aineistoa haettiin sekä Lappeenrannan teknillisen yliopiston että Aalto-yliopiston tunnuksilla Nelli-tietokannasta ja Google Scholarista. Tieteellisiä artikkeleita haettiin noin sata kappaletta, joista tarkempaan tarkasteluun otettiin noin kuu- sikymmentä. Nämä valikoidut artikkelit koottiin Excel-tiedostoon ja jaettiin seuraaviin kategorioihin: energiantuotannon päästöt elinkaarinäkökulmasta, lähienergiantuotanto, kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen ja laskentamenetelmävalinnat. Tämän jälkeen aineistoa käytiin edelleen läpi, jolloin tutkimukselle hyödylliset noin 40 artikkelia valikoi- tuivat.
Työn tapaustutkimusosassa tutkitaan yksittäistä case-kohdetta, joka on Tampereen Härmä- länrannan uudisrakennusalue. Tapaustutkimuksen tarkoituksena on tuoda lisätietoa esitet- tyihin tutkimuskysymyksiin yksittäistapauksen näkökulmasta. Tapaustutkimuksessa ver- taillaan olemassa olevasta kohteesta saatujen tietojen perusteella tutkimuskysymyksessä esitettyjä ongelmia CHP-laitoksen päästöjen allokointitavan sekä sähköntuotannon kasvi- huonekaasupäästöjen eri määrittämistapojen vaikutuksista lähienergian kasvihuonekaasu- päästöihin. Case-alueen aineisto on osittain peräisin alueen rakennuttajalta, Skanska Oy:ltä, ja osittain aineisto on peräisin kirjallisuuskatsauksen tuloksista. Tapaustutkimuksen lasken- taosiossa vertaillaan case-alueen kahden eri lämmöntuotantovaihtoehdon, kaukolämmön ja maalämmön, kasvihuonekaasupäästöjä. Case-tarkastelun kautta selvitetään, miten lasken- tamenetelmävalinnat ja eri energiantuotantotekniikat vaikuttavat tarkasteltavan alueen kas- vihuonekaasupäästöihin. Tämän lisäksi selvitetään löytyykö case-tarkastelun asetelmasta tutkimuskysymyksen mukainen tilanne, jossa laskentamenetelmän valinnalla on suurempi vaikutus alueen kasvihuonekaasupäästöihin kuin energiantuotantotekniikan valinnalla.
Tutkimus jakautuu teoriaosaan ja tulososaan. Tutkimuksen teoriaosan ensimmäisessä käsit- telyluvussa, luvussa 2, perehdytään Suomen energiankulutukseen ja -tuotantoon, alueelli-
siin energiaratkaisuihin sekä energiaverkostoihin. Luvun tarkoitus on selvittää Suomen nykyistä ja tulevaa energiakäyttäytymistä sekä esitellä erilaisia alueellisia energianmuotoja ja niiden ongelmia sekä energiaverkostoja. Luvussa 3 on puolestaan esitelty energiantuo- tannon elinkaarenaikaisia kasvihuonekaasupäästökertoimia. Luvun tarkoitus on esitellä kirjallisuuskatsauksen perusteella saatuja kasvihuonekaasupäästökertoimia sekä pohtia näiden kertoimien epävarmuuksia. Luvussa 4 kerrotaan kasvihuonekaasupäästölaskennan laskentamenetelmävalinnoista. Luvun tarkoitus on esitellä yleisesti kirjallisuuden perus- teella löydetyt laskentamenetelmävalinnat sekä perehtyä tarkemmin itse laskennassa käy- tettäviin valintoihin. Luvussa 5 esitellään case-tutkimuskohde, Tampereen Härmälänranta, esitetään yleisiä kasvihuonekaasupäästölaskennan periaatteita ja case-tutkimuksen lasken- ta. Luvussa 6 keskitytään tutkimustulosten analysointiin. Luvun tarkoituksena on analysoi- da kirjallisuuskatsauksen ja tapaustutkimuksen tutkimustuloksia. Lisäksi luvussa laajenne- taan case-tarkastelua, pohditaan tulosten epävarmuuksia ja käytettävyyttä. Luvussa 7 esite- tään työn johtopäätökset. Luvussa käsitellään tutkimustulosten ja havaintojen yhteensopi- vuutta teorian kanssa ja verrataan saatuja tuloksia esitettyyn tutkimuskysymykseen. Luku 8 on työn yhteenveto, jonka tarkoituksena on tiivistää tutkimuksen lähtökohdat, rajaukset ja tavoitteet sekä tutkimuksesta saadut tulokset, johtopäätökset ja jatkotutkimusideat.
2 ENERGIANKULUTUS JA -TUOTANTO SEKÄ ALUEELLISET ENERGIARATKAISUT SUOMESSA
Tässä luvussa perehdytään energiankulutukseen ja -tuotantoon sekä alueellisiin energiarat- kaisuihin Suomessa. Suomalaiset energiakulutustiedot sekä sähkön- ja lämmöntuotannon- muodot ovat tärkeitä lähtötietoja, kun arvioidaan energiankulutuksen ja -tuotannon kasvi- huonekaasupäästövaikutuksia. Alueellinen näkökulma energiankulutukseen ja -tuotantoon on tärkeä, sillä kaupungit ja muu rakennettu ympäristö on yksi suurimmista kasvihuone- kaasupäästöjen tuottajista. Lisäksi perehtyminen alueellisiin energiaratkaisuihin ja energia- verkkoihin Suomessa antaa puolestaan tietoa siitä, mihin suuntaan nykyinen energiantuo- tantojärjestelmä on todennäköisesti tulevaisuudessa kehittymässä, sillä lähienergia ja kehit- tyvät sähköverkot on nähty tehokkaina keinoina vähentää energiankulutuksen ja - tuotannon kasvihuonekaasupäästöjä.
2.1 Energiankulutus ja -tuotanto Suomessa
Yksi keskeisimmistä rakennetun ympäristön ympäristövaikutuksista liittyy energiankulu- tukseen, siihen vastaavan energiantuotantoon ja sitä kautta kasvihuonekaasupäästöihin.
Kaupungit ovat maailmanlaajuisesti vastuussa yli 70 prosenttisesti maailman hiildioksidipäästöistä (World Energy Outlook 2008, 180; C40 Cities 2011; UN 2007).
Energiankulutus
Energian loppukäyttö oli Suomessa vuonna 2012 yhteensä 1 104 PJ. Suurimman osan energian loppukäytöstä vie Suomessa teollisuus, jonka osuus loppukäytöstä oli vuonna 2012 46 prosenttia. Rakennusten lämmitykseen kului puolestaan 25 prosenttia energian loppukäytöstä. Liikenteen osuus oli puolestaan 16 prosenttia. (Tilastokeskus 2013a.) Ku- vassa 3 on esitettynä energian loppukäyttö sektoreittain Suomessa vuonna 2012. Energian loppukäyttö ei pidä sisällään energian tuotannon, siirron ja jakelun häviöitä eikä kiinteistö- kohtaisesti tuotettua uusiutuvaa energiaa.
Kuva 3. Energian loppukäyttö sektoreittain vuonna 2012 (Tilastokeskus 2013a).
EU:n tavoitteena on tehostaa energian loppukäyttöä energiansäästöllä ja energiateokkuutta parantamalla. Loppukäytön tehostaminen vähentää primäärienergian kulutusta ja alentaa kasvihuonekaasupäästöjä. Energian loppukäytön tehokkuutta parantamalla voidaan energiansäästömahdollisuudet hyödyntää taloudellisesti tehokkaalla tavalla. Tämä energiansäästö voidaan saavuttaa energiatehokkuutta parantavien toimenpiteiden avulla, jolloin esimerkiksi yhteisön riippuvuus tuontienergiasta vähenee. (2006/32/EY.) Rakennetun ympäristön kannalta energian loppukäytön tehostaminen tarkoittaa esimerkiksi talojen lämmöntarpeen vähentämistä passiivirakentamisella.
Kuvassa 4 on esitettynä rakennetun ympäristön energianloppukäyttö vuonna 2007.
Rakennukset-sektori pitää sisällään rakennusten lämmityksen ostoenergian ja sähkönkulutuksen. Rakentamis-sektoriin kuuluu rakennustoiminnan polttoaineiden käyttö ja sähkönkulutus sekä arvio materiaalien valmistuksen energiankulutuksesta. Liikenteeseen on huomioitu kotimaan tie-, raide-, ja laivaliikenteen polttoaineet ja sähkönkulutus. Muut- sektoriin on laskettu maa- ja metsätalouden polttoainekäyttö ja sähkönkulutus, kotitalouksien pienpolttoainekäyttö sekä osuus julkisen sektorin sähkönkulutuksesta, joka ei kulu rakennuksissa. (Vehviläinen et al. 2010, 11–12).
46%
25%
16%
12%
Teollisuus
Rakennusten lämmitys Liikenne
Muut
Kuva 4. Rakennetun ympäristön energian loppukäyttö Suomessa vuonna 2007 (Vehviläinen et al. 2010, 11).
Vringerin & Blokin (1995) tutkimuksen mukaan yksi tehokas keino vähentää hiilidioksidipäästöjä on vähentää kotitalouksien suoraa ja epäsuoraa energiantarvetta.
Tutkimuksessa suoraksi energiantarpeeksi on määritelty sähkö, lämpö sekä polttoaineet ja epäsuoraksi energiantarpeeksi energian, joka sisältyy kulutustavaroihin, kuten ruokaan ja kalusteisiin sekä palveluihin. Vringer & Blok löysivät selkeän suhteen kotitalouksien ko- konaisenergiankulutuksen ja kotitalouksien menojen välillä. Heidän tutkimuksensa osoit- taa, että mitä suuremmat tulot kotitalouksilla on, sitä suurempi on myös energiantarve.
Reiders, Vringer & Blok (2003) puolestaan tutkivat suoraa ja epäsuoraa energiantarvetta eri Euroopan unionin maiden välillä. Heidän tutkimuksensa mukaan epäsuora energiantar- ve korreloi lineaarisesti menojen kanssa. Suora energiantarve ei sen sijaan korreloi näin selvästi kotitalouksien menojen kasvamisen kanssa, vaan siihen vaikuttavat myös muut näkökohdat, kuten talojen ikä ja eristäminen. Lenzen, Dey & Foran (2004) päätyivät Syd- neyn kotitalouksia käsittelevässä tutkimuksessaan samanlaisiin tuloksiin suoran ja epäsuo- ran energiantarpeen suhteesta kotitalouksien tuloihin. Heidän mukaansa tulevaisuudessa tärkeää olisi keskittyä myös vähentämään kotitalouksien epäsuoraa energiankulutusta suo- ran kulutuksen lisäksi. Bin & Dowlatabadin (2005) tekemän tutkimuksen, jossa he tutkivat USA:laisten elämäntapojen vaikutuksia energiankulutukseen, mukaan suurin energiankulu- tus oli asumisen toimintaan liittyvä epäsuora energiankulutus ja toiseksi suurin henkilökoh- taisen matkustamisen suora energiankulutus. Kolmanneksi suurin energiankulutus oli tut- kimuksen mukaan kotitalouksien suora energiankulutus. Bin & Dowlatabadin mukaan in- vestointeja, uutta tekniikkaa ja tutkimusta kannattaisikin panostaa juuri näihin kolmeen energiaintensiivisimpään osaan.
60,3 % 27,0 %
6,3 %
6,3 %
Rakennukset Liikenne Rakentaminen Muut
Sähköntuotanto
Suomen sähköntuotanto tuotantomuodoittain vuosina 2000–2011 on esitetty kuvassa 5.
Kuvasta voidaan havaita, että ydinvoiman tuotanto sekä sähkön ja lämmön yhteistuotanto pysyvät joka vuosi lähes samalla tasolla. Tilastokeskuksen (2012a) mukaan vesivoiman tuotto sen sijaan vaihtelee hieman, johtuen vesivoiman riippuvuudesta sääoloihin. Sateisina vuosina vesivoiman tuotto on suurempi kuin vähäsateisina vuosina. Lauhdevoiman tuotto vaihtelee kuvassa eniten ja se riippuu vesivoiman saatavuudesta ja sähköntarpeesta.
Kuva 5. Sähkön tuotanto tuotantomuodoittain 2000–2011 (Tilastokeskus 2012).
Kuvassa 6 on puolestaan esitetty Suomen sähköntuotanto energialähteittäin vuonna 2012 ja 2011. Vuonna 2012 uusiutuvia energianlähteitä oli yhteensä noin 41 prosenttia, fossiilisia polttoaineita 20 prosenttia, ydinvoimaa noin 33 prosenttia ja turvetta noin 6 prosenttia.
Vuonna 2011 uusiutuvia energianlähteitä oli yhteensä 33 prosenttia, fossiilisia yhteensä 28 prosenttia, turvetta 7 prosenttia ja ydinvoimaa 32 prosenttia. Kuvasta voidaan hyvin huo- mata, että vuonna 2011 vesivoimaa tuotettiin vähemmän eli myös uusiutuvan energian koko osuus oli pienempi. Tämä johti vuonna 2011 myös siihen, että fossiilisista polttoai- neista peräisin olevaa energiaa tuotettiin enemmän.
Kuva 6. Sähköntuotanto energialähteittäin vuonna 2012 ja 2011 (Energiateollisuus 2013a; Tilastokeskus 2012b).
Energiateollisuuden visiona on vuonna 2050 saavuttaa hiilineutraali sähkön ja kaukoläm- mön tuotto. Tällöin sähkön ja kaukolämmön tuotanto, siirto, jakelu ja käyttö eivät tuottaisi lainkaan kasvihuonekaasupäästöjä. Tärkeimmät muutokset visiossa kohdistuvat tuulivoi- man ja ydinvoiman lisääntymiseen. Muita muutoksia ovat konventionaalisen lauhdesähkön tuotannon poistuminen, kotimaisten biopolttoaineiden käytön lisääminen sekä hiilidioksi- din talteenotto- ja varastointiteknologian käyttöönotto. (Energiateollisuus 2010, 33.) Tau- lukossa 2 on esitetty Energiateollisuuden arvio sähkön käytöstä Suomessa vuosina 2030 ja 2050. Kuvasta voidaan havaita, että arvion mukaan sähkön käyttö tulee kokonaisuudessaan kasvamaan kumpanakin tarkasteluvuonna. Eniten sähkön käyttö lisääntyy palvelut ja julki- nen -sektorilla sekä liikenteessä.
Taulukko 2. Arvio sähkön käytöstä Suomessa vuosina 2030 ja 2050 (Energiateollisuus 2010, 49).
Sektori
Sähkön käyttö vuonna 2007
[TWh/a]
Sähkön käyttö vuonna 2030
[TWh/a]
Sähkön käyttö vuonna 2050
[TWh/a]
Asuminen 23 24–26 24–27
Kotitaloussähkö 11 13 13–14
Rakennusten lämmitys 12 11 9-11
Rakennusten jäähdytys 0,2 1 2
Teollisuus 48 49–56 48–58
Palvelut ja julkinen 15,5 22 30–40
Liikenne 0,5 3 8-10
Häviöt 3 3 4
Yhteensä 90 100–111 113–138
Eskeland et al. (2011) osoittavat tutkimuksessaan, että sähköntuotannolla on merkittävin potentiaali EU:n päästövähennystavoitteissa. Sähköntuotantosektori voi myötävaikuttaa jopa puoleen EU:n päästövähennyksistä, mikä on suurempi kuin sen 40 prosentin päästö- osuus. Heidän tutkimuksensa osoittaa myös, että sähköntuotannolla on alhaiset kustannuk- set tehdä päästövähennyksiä. Samankaltaiseen tulokseen on päätynyt da Graça Carvalho (2012) artikkelissaan, jossa vähähiilisen teknologian osuuden sähköntuotannossa ennuste- taan nousevan 45 prosentista 60 prosenttiin vuoteen 2020 mennessä. da Graça Carvalhon mukaan kasvu kuitenkin vaatii erityisesti uusiutuvan energian osuuden lisäämistä sähkön- tuotannossa. Suomessa kuitenkin suuri osa sähköstä tuotetaan sähkön- ja lämmön yhteis- tuotannolla, ja tämä saattaa johtaa siihen, että ainakin tällä hetkellä tilanne ei ole niin sel- keä Suomen kohdalla. Tulevaisuudessa, kuten Energiateollisuuden visioista käy ilmi, säh- könkäytön oletetaan kuitenkin yhä kasvavan ja kun taas lämmönkulutuksen oletetaan vä- henevän passiivirakentamisen ynnä muun seurauksena, myös sähkön päästövähennykset ovat tärkeä kysymys myös Suomessa.
Suomi kuulu muiden pohjoismaiden sekä Viron ja Liettuan tavoin Nord Pool Spot sähkö- markkinoihin. Lisäksi Nord Pool -alue on yhdistetty Venäjän, Puolan ja Saksan sähkö- markkinoihin. (Nord Pool Spot 2013.) Kuvassa 7 on esitetty sähköntuotannon jakautumi- nen Pohjoismaissa. Kuvan perusteella havaitaan, että suurin energiantuotantomuoto poh- joismaissa on vähäpäästöinen vesivoima, mikä selittyy Norjan ja Ruotsin vesivoimaintensi- teetillä. Suomessa vesivoimaa tuotetaan pohjoismaalaista keskiarvoa vähemmän. Suomes- sa Nord Pooliin kuuluminen vähentää sähkömarkkinoilla syntyvän sähkön päästöjä verrat- tuna tilanteeseen, jossa Suomi muodostaisi omat markkinansa.
Kuva 7. Energiantuotanto Pohjoismaissa (Energiateollisuus 2013b).
Nord Poolin Sähkömarkkinoilla vallitsee vapaa kilpailu, joten sähkön hinnan määrittelee kysynnän ja tarjonnan tasapaino. Tällöin myös kannattava sähkön tuotantotapa riippuu kysynnästä ja tarjonnasta. Käytännössä siis voimalaitoksen käyttökustannukset ratkaisevat sen, mikä voimalaitos on kannattavaa pitää käynnissä milläkin hetkellä. (Nord Pool Spot 2013.)
Lämmöntuotanto
Lämmityksellä tuotetaan rakennusten tarvitsema lämpöenergia, joka koostuu rakennuksen johtumishäviöistä sekä ilmanvaihdon ja käyttöveden lämmityksestä. Suomessa rakennuk- sen energiakulutuksesta jopa 50 prosenttia voi kulua lämmitykseen. (Motiva 2013a.) Ku- vassa 8 on esitetty Suomen lämmöntuotanto vuonna 2012 jaoteltuna kaukolämmön ja teol- lisuuslämmön erillis- ja yhteistuotantoon. Vuona 2012 kaukolämmön tuotannossa käyte- tyimmät polttoaineet olivat maakaasu, kivihiili ja puupolttoaineet, ja yli puolet kaukoläm- möstä tuotettiin fossiilisilla polttoaineilla. (Tilastokeskus 2013b.)
Kuva 8. Lämmöntuotanto vuonna 2012 (Tilastokeskus 2013b).
Kuvassa 9 on esitetty teollisuuslämmöntuotanto aikavälillä 2000–2012. Teollisuuslämpö tuotettiin yli 60 prosenttisesti uusiutuvilla polttoaineilla ja polttoaineista eniten käytettiin metsäteollisuuden jäteliemiä ja muita puupolttoaineita. (Tilastokeskus 2013c.) Muita teolli- suuslämmön merkittäviä polttoaineita ovat fossiiliset polttoaineet ja turve.
Kuva 9. Teollisuuslämmöntuotanto aikavälillä 2000–2012 (Tilastokeskus 2013c).
Kuvassa 10 on puolestaan esitetty kaukolämmön tuotannon polttoaineet vuonna 2011.
Kaukolämmön tuotanto vuonna 2011 oli yhteensä 34 029 GWh, josta fossiililla polttoai- neilla, lähinnä maakaasulla ja kivihiilellä, tuotettiin noin 55 prosenttia ja uusiutuvilla noin 23 prosenttia. Turpeella tuotettiin noin 20 prosenttia kaukolämmön tuotannosta.
Kaukolämpö Teollisuuslämpö
Lämmön erillistuotanto 10,3 7,7
Sähkön ja lämmön
yhteistuotanto 26,5 44,9
0 10 20 30 40 50 60
Lämpöenergia [TWh/a]
Kuva 10. Kaukolämmön tuotanto vuonna 2011 (Tilastokeskus 2012c).
Suomessa lämmöntuotanto on siis keskittynyt vahvasti sähkön ja lämmön yhteistuotantoon sekä kaukolämmön että teollisuuslämmön kohdalla. Teollisuuslämmössä uusiutuvien polt- toaineiden käyttö on yleisempää kuin kaukolämmön tuotannossa, jonka polttoainejakauma on painottunut fossiilisiin polttoaineisiin. Tulevaisuudessa todennäköisesti kaukolämmön tuotannossa uusiutuvien energiamuotojen osuus tulee kasvamaan ja fossiilisten vähene- mään erilaisten kasvihuonekaasupäästötavoitteiden saavuttamisen vuoksi. Teollisuuden uusiutuvaan energiaan eli lähinnä metsäteollisuuden jäteliemiin ja muihin puupolttoainei- siin perustuvan lämmöntuotannon tulevaisuus on puolestaan hyvin riippuvainen suomalai- sen metsäteollisuuden kannattavuudesta tulevaisuudessa.
2.2 Alueellinen energiantuotanto ja energiaverkot
Hajautetulla energiantuotannolla tarkoitetaan paikallista, lähellä käyttökohteita tapahtuvaa energiantuotantoa. Hajautettua energiantuotantoa ovat muun muissa aurinkopaneelit ja aurinkolämpökeräimet, lämpöpumput, pientuulivoimalat, biokaasulaitokset sekä puuhake- ja pellettikattilat. (Nystedt et al. 2012, 10; Kannonlahti & Sjöholm 2012, 49; Vanhanen 2008.) Suomessa hajautetuksi energiantuotannoksi on katsottu alle 10 MW:n uusiutuviin energialähteisiin tai pienimuotoiseen yhdistettyyn sähkön ja lämmön tuotantoon perustuva tuotanto (Bergman et al. 2005, 9; Kannonlahti & Sjöholm 2012, 49). Alueellinen lämmön- tuotanto voidaan toteuttaa joko alue-, taloryhmä- tai talokohtaisilla energiaratkaisuilla.
Talokohtaisessa ratkaisussa jokaiselle talolle rakennetaan oma lämmöntuotantojärjestelmä,
26,7 %
22,3 %
4,7 % 1,8 % 18,1 % 0,6 %
20,7 %
1,4 % 3,8 % Maakaasu
Kivihiili
Öljy
Muut fossiiliset
Turve
Metsäteollisuuden jäteliemet
joka tuottaa rakennuksen tarvitseman lämpöenergian. Taloryhmäkohtaisessa järjestelmässä taloryhmän lämmitystarve katetaan keskitetyllä energiantuotantoratkaisulla. Alueelle voi- daan myös rakentaa oma aluelämpölaitos, josta lämpö jaetaan aluelämpöverkon kautta kuluttajille. (Nystedt et al. 2012, 24–25.) Alueellisista energiaratkaisuista seuraavaksi tar- kastellaan tuulivoimaa, aurinkosähköä ja -lämpöä, vesivoimaa, maalämpöä, talokohtaisia kattiloita, lämpölaitosta ja CHP-laitosta. Muita alueellisia energiaratkaisuja ovat mm. ilma- lämpö, vesistölämpö ja polttokennot, mutta nämä ratkaisut ovat yleensä täydentäviä mene- telmiä tai niiden tekniikka on vasta kehitysvaiheessa. (Nystedt et al. 2012, 34.) Kuvassa 11 on esitetty yhteenveto edellä mainittujen energiajärjestelmien ominaisuuksista.
Kuva 11. Yhteenveto eri energiajärjestelmien ominaisuuksista. Tähtien lukumäärä indikoi merkitystä, ****
= kallis / paljon päästöjä, * = halpa / vähän päästöjä. (Nystedt et al. 2012, 34.)
Kuvassa eri alueellisen lämmön- ja sähköntuotannon menetelmät on luokiteltu kustannus- tan ja päästöjen perusteella. Esimerkiksi tuuli- ja aurinkosähkö ja polttokennot ovat inves- tointikunstannuksiltaan kalliita, mutta niiden käyttökustannukset ja päästöt ovat puolestaan vähäiset. Sähkölämmitys on puolestaan invastointikustannuksiltaan vähäinen, mutta sen käyttökustannukset ja päästöt ovat korkeat.
Aurinkosähkö ja -lämpö
Aurinkopaneelien asentaminen rakennusten katoille ja muihin rakenteisiin on kasvava ke- hityssuunta monissa kaupungeissa. Súrin et al. (2007) tutkimuksen mukaan aurinkopanee- leilla voidaan kattaa jopa 9–26 % kaupunkien sähköntuotannosta. Heidän mukaansa Etelä- Suomessa aurinkopaneelit tuottavat energiaa keskimäärin 700–800 kWh/kWp vuodessa.
Sama määrä energiaa per kilowatti pystytään tuottamaan myös Etelä-Ruotsissa, Baltian- maissa, Luoteis-Euroopassa, Pohjois-Ranskassa, Pohjois-Saksassa, Pohjois-Puolassa, Be- nelux-maissa ja Tanskassa. Pohjois-Suomessa aurinkopaneelien energiantuotanto jää alle 700 kWh/kWp. Aurinkoenergian saatavuuden lisäksi, tuotettuun aurinkoenergian määrään vaikuttaa aurinkosähköjärjestelmän hyötysuhde. (Šúri et al. 2007.) Kuvassa 12 on esitetty- nä aurinkopaneeleilla tuotettu energia [kWh/kWp] vuodessa Euroopassa.
Kuva 12. Aurinkopaneeleilla tuotettu energia [kWh/kWp] vuodessa Euroopassa (Šúri et al. 2007, 1298).
Aurinkosähköä käytetään tyypillisesti rakennusten katoilla ja julkisivuilla. Optimaalinen kallistuskulma esimerkiksi Helsingin leveysasteella aurinkopaneeleille on 45 astetta vaaka- tasosta. Lisäksi aurinkopaneeleita käytetään tyypillisesti kesämökeillä sekä syrjäseutujen erikoissovelluksissa. (Vartiainen et al. 2002, 12–13.)
Kuvassa 13 on esitettynä aurinkopaneelikapasiteetti, joka tarvitaan kattamaan yksi prosent- ti tietyn maan sähkönkulutuksesta. Kuvasta voidaan havaita, että Suomen kohdalla aurin-
kopaneelikapasiteetti, jolla voidaan tuottaa yksi prosentti Suomen energiankulutuksesta, on 1 066 MWp.
Kuva 13. Aurinkopaneelikapasiteetti, joka tarvitaan kattamaan 1 % maan sähkönkulutuksesta. Yläkulmassa maailman aurinkopaneelituotannon kasvu vuosina 2000–2005 Euroopassa. (Šúri et al. 2007.)
Aurinkolämpöä käytetään tyypillisesti rakennusten lämmitykseen ja lämpimän käyttöveden lämmitykseen, maaseudun sovelluksissa, kuten viljan kuivauksessa, sekä osana aluelämpö- järjestelmää kesäajalla täydentävänä energianlähteenä. Aurinkolämpökeräinjärjestelmien hyötysuhde on noin 30–40 prosenttia ja niiden käyttöikä on parhaimmillaan noin 20 vuotta.
(Vartiainen et al. 2002, 10–11.) Maalämpö
Maalämpöpumpuilla on mahdollista siirtää lämpöenergiaa, joka on varastoinut maahan, kallioon tai veteen, rakennuksen ja käyttöveden lämmitykseen. Maalämpöpumppu on käyt- tökustannuksiltaan edullinen, mutta sen investointikustannukset ovat suuret. (Motiva 2011.) Maalämpöpumppujen siirtoputkistot voidaan asettaa maaperään porattuihin pora- kaivoihin. Porakaivojen tekeminen kuitenkin edellyttää maaperän koeporausta sekä tutki- musta maa-alan soveltuvuudesta maalämpökäyttöön. Maalämpöpumpun lämmönkeruuput- kisto voidaan asentaa myös vaakaputkistoihin yhden metrin syvyyteen. Tämän ratkaisun soveltuvuuskriteerinä on se, että maa-aines ei saa olla kuivaa. (Nystedt et al. 2012, 27, 33;
IEA 2009, 81). Vesistölämmön hyödyntämiskriteerinä lämpöpumpuissa on se, että vesistö
on vähintään kaksi metriä syvä jo rannan läheisyydessä. Vesistöön asennettavalla putkis- tolla voidaan vuodessa saada lämpötehoa noin 70–80 kWh/metri putkea. (Motiva 2010.) Maalämpöpumppujen lämpökerroin (COP-luku) eli tuotetun lämmön suhde käytettyyn sähköenergiaan, on Suomen oloissa tyypillisesti 2,6–3,6, mutta parhaimmillaan se voi olla jopa yli 4. (Vartiainen et al. 2002, 14.) Lämpöpumppuja ei kannata mitoittaa kattamaan koko huippukuorman aikaista lämmöntarvetta, sillä silloin maalämpöpumppujärjestelmän investointikustannukset ovat liian suuret. Lämpöpumput suunnitellaan sen sijaan katta- maan keskimääräinen lämmöntarve, jolloin maalämpöpumppu mitoitetaan kattamaan noin 60–80 % laskennallisesta huipputehontarpeesta. Tällöin maalämpöpumpulla tuotetaan noin 95–99 % vuotuisesta energiantarpeesta ja loput 1–5 % huippukulutuksen aikaisesta läm- möntarpeesta tuotetaan esimerkiksi sähkövastuksilla. (Nystedt et al. 2012, 27; Motiva 2013b.)
Luickx et al. (2008) tutkivat lämpöpumppujen käyttöä lämmitykseen Belgiassa, Alanko- maissa, Saksassa ja Ranskassa, ja lämpöpumppujen oletettiin korvaavan joko fossiilisiin polttoaineisiin perustuvaa lämmittämistä tai sähkölämmitystä. Tutkimuksen mukaan läm- pöpumppulämmitys vähensi kasvihuonekaasupäästöjä jokaisessa tutkitussa maassa. Läm- pöpumppujen lisäämisen vaikutukset kasvihuonekaasupäästöjen vähenemiseen riippuivat kuitenkin suuresti maiden käyttämän sähkön kasvihuonekaasupäästöintensiteetistä, ja esi- merkiksi Luickxin mukaan Alankomaissa lämpöpumppuja tehokkaammaksi vaihtoehdoksi nähtiin maakaasu-kombivoimalaitosten lisääminen.
Tuulivoima
Alueellisesti tuulivoimaa voidaan tuottaa joko suuremmissa yksiköissä tai pientuulivoima- loissa. Tuulivoimarakentamisen kannattavuus riippuu paljon paikallisista tuuliolosuhteista.
Lisäksi Suomessa tuuliolosuhteet vaihtelevat paljon myös ajallisesti sekä vuorokaudessa että vuodessa. Esimerkiksi peräkkäisinä vuosina tuulivoiman tuotannossa voi olla jopa 40 prosentin eroja. Suomessa kuitenkin tuulen vuodenaikavaihtelut ovat yleensä suotuisia, sillä tuulisimmat päivät ovat yleensä kylmimpinä talvikuukausina. (Vartiainen et al. 2002, 8.)
IEA jakaa pienet tuulivoimalat pientuulivoimaloihin (alle 100 kW) ja mikrotuulivoimaloi- hin (alle 2 kW). Mikrotuulivoimaloita käytetään yleensä veneissä ja asuntovaunuissa, mut- ta niitä käytetään yhä useammin myös yksittäisten asuntojen sähköntuotannossa. Pientuuli- voimalat sen sijaan soveltuvat paremmin kerrostalojen, toimistojen tai koko alueen sähkön- tuotantoon. Tuulivoimarakentamisessa on kuitenkin aina huomioitava melu- ja näköhaitat sekä alueen mahdolliset rajoitteet esimerkiksi rakenteiden korkeuden suhteen. (IEA 2009, 69.) Nystedtin et al. (2012, 29) mukaan yksi vaihtoehto on myös ostaa osakkuus tuulipuis- tosta, jolloin alueelle ostettava sähkö on peräisin tuulivoimasta, mutta itse alueella ei sijait- se tuulivoimalaa.
Tuulivoimarakentamisen seurauksia arvioitaessa, täytyy se huomioida osana muuta ener- giasysteemiä. Holttinen & Tuhkanen (2004) osoittavat tutkimuksessaan, että 16–46 TWh/a tuulivoiman lisäys pohjoismaisille sähkömarkkinoille korvaa pääasiassa kiivihiileen perus- tuvaa energiantuotantoa, jolloin CO2-päästövähennys olisi 700–620 gCO2/kWh. Mikäli ole- tetaan, että kivihiilen käyttö energiantuotannossa kielletään Kioton päästötavoitteisiin pää- semisen vuoksi, uusi tuulivoimakapasiteetti korvaisi tällöin pääasiassa maakaasulla toimi- vien kombivoimalaitosten kapasiteettia. Tällöin keskimääräinen päästövähennys olisi noin 300 gCO2/kWh. (Holttinen & Tuhkanen 2004.) Delarue et al. (2009) ovat puolestaan laske- neet Belgian energiantuotannon tuulivoiman päästövähennykseksi 498 gCO2/kWh, kun tuu- livoima korvaa sekä kivihiiltä että maakaasua.
Pien- ja minivesivoima
Pienvesivoimalla tarkoitetaan nimellisteholtaan 1–10 MW:n tehoista vesivoimaa ja mini- vesivoimalla alle 1 MW:n tehoista. Suomessa pien- ja minivesivoiman rakentamispotenti- aali suojelemattomissa vesistöissä on noin 460 MW, ja sitä voidaan rakentaa uusin kohtei- siin, käytöstä poistettuihin kohteiden tilalle sekä vanhoja laitoksia voidaan tehostaa ja ohi- juoksutuksia hyödyntää. (Vartiainen et al. 2002, 10–11.)
Bioenergia
Bioenergiaa voidaan tuottaa joko lämmön erillistuotannolla biomassakattiloissa tai lämmön ja sähkön yhteistuotannolla CHP-laitoksissa. Biomassakattiloita käytetään alue- ja kauko-
lämmityskattiloina, omakotitalokattiloina, kiinteistökattiloina sekä teollisuuskattiloina.
Polttoaineena biomassakattilassa voidaan käyttää hakkuutähteitä, haketta, puun kuoria, sahanpurua, kutterilastua, pellettejä tai brikettejä sekä turvetta ja kierrätyspolttoainetta. Biomassakattiloiden kannattavuuteen vaikuttaa merkittävästi juuri polttoaineen saatavuus järkevän kuljetusmatkan päästä. Esimerkiksi jalostamattoman polttoaineen maksimikulje- tusmatka on tyypillisesti alle 150 km. (Vartiainen et al. 2002, 15–16.)
Pien-CHP eli pienimuotoinen lämmön ja sähkön yhteistuotanto voidaan toteuttaa monilla eri tekniikoilla ja polttoaineilla. Yhteistuotannolla energiaa pystytään säästämään yli 30 % verrattuna tilanteeseen, jossa sähkö- ja lämpöenergia tuotettaisiin erikseen. (Berta et al.
2006; Rajala et al. 2010, 21; Lund & Andersen 2005.) Kuvassa 14 on esitetty CHP- tuotannossa syntyvä polttoaineen säästö.
Kuva 14. CHP-tuotannon polttoaineen säästö (Rajala et al. 2010, 21).
Bioenergialaitoksia ei kannata mitoittaa kattamaan koko alueen tehontarvetta, sillä laitok- sen hyötysuhde on parhaimmillaan, kun laitosta voidaan ajaa koko ajan täydellä kapasitee- tilla. Yleensä bioenergialaitokset mitoitetaan kattamaan noin 40–60 prosenttia verkon huipputehon tarpeesta. Tällöin alueen tarvitsemasta energiasta pystytään tuottamaan noin 80–90 prosenttia. Huipputehontarve eli noin 10–20 prosenttia energiantarpeesta täytetään esimerkiksi huippulämpölaitoksilla. (Energiateollisuus 2006, 322–323.)
Pien-CHP-laitoksia säädetään yleensä lämmöntarpeen mukaan. Pien-CHP-laitokset voi- daan jakaa kokonsa perusteella mikro CHP -kokoluokkaan eli alle 10 kWe tehoisiin laittei- siin ja pien CHP -kokoluokan laitteisiin, jotka ovat teholtaan yli 10 kWe. Mikro CHP koko- luokan laitteita käytetään muun muassa maatiloilla ja yksittäisten asuinrakennusten energi- antuotannossa. Pien CHP -kokoluokan laitteita käytetään puolestaan kortteleiden, suurkiin- teistöjen ja teollisuuden energiantuotannossa sekä täydentämässä aluelämmitystä. (Karja- lainen 2012, 10–12.) Kuvassa 15 on esitetty eri pien-CHP-laitosten tekniikoiden ominai- suuksia.
Kuva 15. Pien-CHP-laitosten tekniikoiden ominaisuuksia (Karjalainen 2012, 10).
Kavvadias et al. (2010) ovat kirjallisuutta tutkimalla päätyneet siihen, että CHP-laitoksen toimintastrategiat voidaan koota viiteen eri luokkaan. Ensinnäkin laitos voi toimia niin, että se vastaa ensin lämmöntarpeen täyttämiseen, ja sen jälkeen myy tai ostaa sähkön integ- roidakseen loput energian kysynnästä tai tarjonnasta. Toinen vaihtoehto on se, että laitos kattaa ensin sähköntarpeen ja sen jälkeen tuottaa lämpöenergiaa. Kolmanneksi laitos voi olla jatkuvakäyttöinen eli systeemi toimii vain tietyn ennalta määrätyn ajan ja se ei huomi- oi energiantarvetta. Neljäntenä toimintatapana systeemi toimii vain rajoitetun ajan kattaak- seen ennalta määrätyn osan sähkön huipputarpeesta. Viimeisenä vaihtoehtona on se, että systeemi on suunniteltu kattamaan vain tietty vakiomäärä sähköntarpeesta.
Alueellisen energiantuotannon ongelmia
Tuuli- ja aurinkoenergian yhtenä ongelmana on niiden jaksottainen energiantuotanto. Tuu- livoimala voi tuottaa energiaa vain kun tuulee ja aurinkopaneelit silloin kun aurinko pais- taa. Tuuli- ja aurinkoenergian saatavuuden jaksottaisuus aiheuttaa ongelmia sekä siirtover- kossa että energiantuotantolaitoksissa. (Ipakchi & Albuyel 2009; Lew & Brinkman 2013;
Katzenstein & Apt 2009.) Siitä, miten paljon tuuli- ja aurinkoenergian jaksottaisuus vaikut- taa kasvihuonekaasupäästöihin, on ristiriitaisia tutkimustuloksia. Katzenstein & Apt (2009) toteavat tutkimuksessaan, että hiilidioksidipäästöjen vähennys tuulivoiman tai aurinko- paneelien lisäämisen vaikutuksesta ovat oikeastaan 75–80 prosenttia niistä päästöistä, jotka päättäjät olettavat niiden olevan, juuri tuotannon jaksottaisuuden vuoksi. Lew & Brinkman (2013) puolestaan esittivät tutkimuksessaan, että jaksottaisuuden vaikutukset ovat hyvin vähäiset hiilidioksidipäästöjen osalta.
Lundin (2007) tutkimuksen mukaan Tanskassa vuonna 2020 jopa 8,4 TWh sähköä saate- taan tuottaa ylimääräisenä, koska suuri tuulivoiman lisäys tuo tuotannon tasapaino- ongelmia CHP-laitoksille, sillä CHP-laitoksia ei ole suunniteltu toimimaan tuulivoiman tuotannon epätasaisuuden kanssa. Lundin mukaan ongelmaa voisi korjata lisäämällä pien- CHP-tuotantoa sekä käyttämällä lämpöpumppuja, sillä näiden avulla voidaan säätää sähkön ja lämmön kysynnän suhdetta ja samalla säilyttää CHP-laitosten korkea polttoaine- tehokkuus. Toinen keino on lisätä systeemiin elektrolyysilaitoksia, jolloin ylijäämäenergiaa voidaan käyttää vedyn tuotantoon. (Lund 2007.) Zhang et al. (2012) puolestaan esittävät tutkimuksessaan, että lämpöpumput ja sähköautot pystyisivät käyttämään ylimääräistä au- rinkopaneelien tuottamaa sähköä hyväkseen.
Lämpöpumppujen kohdalla ongelmia aiheuttavat lämpöpumppujen sähkönkulutuksen kas- vihuonekaasupäästöt. Blum et al. (2010) osoittavat tutkimuksessaan, että maalämpöpum- pun käyttämisestä johtuvat hiilidioksidipäästöt vaihtelevat tarkastellussa skenaariossa 149 ja 65 gCO2/kWh välillä riippuen käytetystä sähköenergianlähteiden yhdistelmästä. Tutki- muksessa saatiin 35 prosentin hiilidioksidipäästövähennys, kun käytettiin tavanomaista energialähteiden jakaumaa. Kun taas käytettiin alueellista energialähteiden yhdistelmää joka sisälsi paljon ydinvoimaa, hiilidioksidipäästöjen vähentymä oli tällöin 72 prosenttia.
(Blum et al. 2010.) Samankaltaisiin tuloksiin päätyivät myös Kikuchi et al. (2009) tutkies-
saan maalämpöpumppujen kasvihuonekaasupäästöjä Kanadalaisissa kaupungeissa. Heidän mukaansa maalämpöpumppujen käytöstä on sitä vähemmän hyötyä mitä suuremmat kasvi- huonekaasupäästöt alueen sähköntuotannolla on. Heidän mukaansa alueilla, joissa suurin osa sähköntuotannosta tuotetaan fossiilisilla polttoaineilla, kannattaisi suosiakin lämpö- pumppujen sijasta esimerkiksi aurinkopaneeleiden käyttöä.
Alueellisen energiantuotantotekniikoiden käyttöönotto ei ole siis täysin ongelmatonta, vaikka ne onkin nähty tärkeänä keinona torjua ilmastonmuutosta. Alueellisen energiantuo- tannon kohdalla onkin syytä tarkastella energiantuotantotekniikkaa osana koko energiajär- jestelmää, jolloin pystytään paremmin huomioimaan esimerkiksi jaksottaisuuden tuottamia ongelmia sekä sähköntuotannon kasvihuonekaasupäästöjen alueellisia eroja.
Energiaverkot
Hajautetun ja keskitetyn energiantuotannon erolle ei ole selvää yhtenäistä määritelmää.
Keskitetyllä energiantuotannolla tarkoitetaan yleensä teholtaan suuria tuotantoyksiköitä, jotka sijaitsevat kaukana kulutuksesta. Keskitettyä energiantuotantoa ovat siis esimerkiksi ydinvoimalat. Hajautetulla energiantuotannolla puolestaan tarkoitetaan teholtaan pienem- piä yksiköitä, jotka sijaitsevat lähellä kulutusta. (Vanhanen 2008; Kannonlahti & Sjöholm 2012, 49.) Kuvassa 16 on esitetty hajautetun ja keskitetyn energiantuotannon jako. Kuvas- sa vaaleanpunaisella oleva alue kuvaa hajautettua energiantuotantoa, joka on siis teholtaan pientä ja sijainti on lähellä käyttökohdetta. Valkoisella oleva alue puolestaan kuvaa selke- ästi keskitettyä energiantuotantoa, joka on siis teholtaan suurta ja sijaitsee kaukana käyttö- kohteesta. Kuvan oranssi alue taas kuvaa energiantuotantoa, joka on teholtaan ja etäisyy- deltään hajautetun ja keskitetyn energiantuotannon välillä.
Kuva 16. Hajautetun ja keskitetyn energiantuotannon jako (Vanhanen 2008).
Erityisesti uusien hajautettujen energiamuotojen, kuten aurinkopaneelien ja pien- tuulivoiman, liittäminen energiaverkostoon vaatii nykyisen verkoston uudistamista. Uudet virtaamismallit vaativat muun muassa jakelun automatisointia ja yleistä valvontaa sekä uuden mikroverkoston rakentamista ja liittämistä vanhaan verkostoon. (Ipakchi & Albuyel 2009; Potter 2009; Lund 2007.) Kuvassa 17 on esitetty hajautetun energiantuotannon integ- rointi energiajärjestelmään. Kuvasta voidaan havaita, että hajautettua energiantuotantoa, kuten mikroturbiineja ja aurinkovoimaloita, pyritään tulevaisuudessa yhdistämään keskite- tyn tuotannon, sähköautojen sekä energiavarastojen kanssa samaan energiajärjestelmään.
Kuva 17. Hajautetun energiantuotannon yhdistäminen energiajärjestelmään (Hirvonen (toim.) 2001, 9).
Tulevaisuudessa energiaverkostossa hajautetun energian rooli tulee todennäköisesti kas- vamaan. Lisäksi nykyiseen sähköverkkoon ollaan yhdistämässä myös niin sanottuja älyk- käitä sähköverkkoja. (Lonka 2011.) Teknologiateollisuus (2013) määrittelee älykkäiksi sähköverkoiksi jakeluverkot, jotka hyödyntävät automaatio-, tieto- ja viestintäteknologiaa sekä sähkömarkkinoiden ja kuluttajan välistä tiedonkulkua. Kuvassa 18 on esitetty Lonkan (2011) näkemys eri energiaverkoista. Kuvassa energiaverkot on jaettu sekä keskitettyihin että hajautettuihin verkkoihin sekä verkkoihin, joissa on älykäs sähköverkko (smart grid) ja joissa sitä ei ole.
Kuva 18. Energiaverkkojen periaatekuvat (Mukaillen: Lonka 2011).
Tällä hetkellä Suomen energiaverkostoa kuvaa hyvin alin laatikko vasemmalla, sillä suurin osa Suomen energiantuotannosta on tällä hetkellä keskitetysti tuotettua eivätkä verkostot ole vielä älykkäitä. Tulevaisuuden energiaverkostossa todennäköisesti yhdistyvät hajautet- tu ja keskitetty tuotanto, joiden energiavirtauksia säädellään älykkäillä sähköverkoilla eli kuvassa se tarkoittaisi ylintä lokeroa oikealla.
Brownin (2008) mukaan älykkään sähköverkon tärkeitä ominaisuuksia tulevaisuudessa ovat sen itsekorjautuvuus, korkea luotettavuus ja sähkön laatu, verkkohyökkäyksien kesto, erilaisten hajautetun tuotannon ja varastoinnin vaihtoehtojen integrointi, varojen käytön optimointi sekä toiminta- ja ylläpitokustannusten minimointi. Tutkimuksen mukaan on- gelmana kuitenkin ovat jo olemassa olevat verkot, jotka ovat erilaisia kuin tulevaisuuden älykkäät sähköverkot, ja nykyisen systeemin liittäminen älykkääseen sähköverkkoon tu- leekin viemään vuosikymmeniä.
EU:ssa on lisäksi nähty tarve parantaa Euroopan verkkoja niin, että ne voidaan liittää yh- teen koko mantereen laajuisesti yhteiseksi energiainfrastruktuuriksi. Energiainfrastruktuu- rilla tarkoitetaan kaikkia fyysisiä laitteita, jotka on suunniteltu mahdollistamaan sähkön tai kaasun siirto ja jakelu, öljyn tai hiilidioksidin siirto taikka sähkön tai kaasun varastointi.
Yhtenäisen energiainfrastruktuurin luomiseksi Eurooppaan on kehitettävä sähkö-, kaasu- ja öljykäytäviä. Suurilla sähkönsiirron väylillä pyritään ensisijaisesti sopeutumaan lisäänty- vään tuulivoiman ylijäämätuotantoon Pohjanmerellä ja Itämerellä ja niiden ympäristössä sekä lisääntyvään uusiutuvan energian tuotantoon Itä- ja Etelä-Euroopassa sekä Pohjois- Afrikassa. Näillä väylillä pyritään liittämään nämä uudet tuotantokeskukset tärkeimpiin varastointikapasiteetteihin sekä mukautumaan yhä vaihtelevampiin ja hajautetumpiin säh- köntoimituksiin ja yhä joustavampaan sähkönkysyntään. (European commission 2011.) Kuvassa 19 on esitetty EU:n visio tulevaisuuden sähköverkosta. Järjestelmän toiminta jae- taan keskitettyyn ja hajautettuun tuotantoon.
Kuva 19. EU:n visio tulevaisuuden sähköverkosta (European commission 2006, 18). (central power plant =
keskusvoimalaitos, offices = toimistot, houses = talot, storage = varastointi, micro-turbines = mikroturbiinit, virtual power plant = virtuaalinen voimalaitos, industrial plants = teollisuuden laitoksia, CHP = sähkön ja lämmön yhteistuotanto, fuel cells = polttokennoja, wind turbines = tuulivoimaloita).
Kaiken kaikkiaan osa suurista voimalaitoksista tullaan korvaamaan hajautetulla energian- tuotannolla, uusiutuvilla energian lähteillä, kysynnän ja tarjonnan hallinnalla sekä energian varastoinnilla. Kuvassa näkyvä ”virtuaalinen voimalaitos” yhdistää eri energiantuotantolai- tosten tietoliikennettä, ohjausta ja diagnostiikkaa, mikä on välttämätöntä järjestelmän toi-
mivuuden kannalta. Lisäksi älykkäät sähköverkot mahdollistavat verkon asiakkaille entistä aktiivisemman roolin sähkön tuotannossa ja koko Euroopan kattava sähköverkko mahdol- listaa uusia resursseja sekä entistä energiatehokkaamman energian siirron eri alueiden vä- lillä. (European commission 2006, 18–19).
Suomen energiankulutus ja -tuotanto ovatkin uudistumassa radikaalisti seuraavina vuosi- kymmeninä. Energiankulutus muuttuu todennäköisesti niin, että sähkön kysyntä tulee tule- vaisuudessa kasvamaan, kun taas lämmön kysynnän odotetaan vähenevän energiatehok- kaanrakentamisen seurauksena. Energiantuotannon puolella keskitetystä tuotannosta ollaan siirtymässä hajautettuun tuotantoon ja fossiilisia polttoaineita korvataan uusiutuvilla polt- toaineilla. Tämän lisäksi älykkäät ja integroidut sähköverkot tulevat korvaamaan vanhaa sähköverkkoa. Kaiken kaikkiaan nämä muutokset todennäköisesti lisäävät energiantuotan- non energiatehokkuutta ja vähentävät kasvihuonekaasupäästöjä.
3 ENERGIANTUOTANNON ELINKAARENAIKAISET KASVIHUO- NEKAASUPÄÄSTÖKERTOIMET
Tässä luvussa tarkastellaan tässä työssä käytettävien energiantuotantotekniikoiden ja - polttoaineiden elinkaarenaikaisia kasvihuonekaasupäästökertoimia rakentamisen ja käytön osalta sekä niiden määrittämiseen liittyviä epävarmuustekijöitä. Rakentamisen ja asentami- sen osalta elinkaarenaikaisia kasvihuonekaasupäästöjä on selvitetty vain maalämpöpum- pulle sekä kaukolämpöverkostolle, sillä näitä lämmöntuotantotekniikoita tullaan vertaile- maan case-tarkastelussa. Kirjallisuudessa elinkaariset kasvihuonekaasupäästökertoimet samalle energiantuotantotekniikalle ja polttoaineelle vaihtelevat paljon, joten kertoimen valinnalla on merkittävä vaikutus kasvihuonekaasupäästölaskennan tuloksiin.
Kurnitskin ja Kedon (2010, 468–469) mukaan varsinaisen energiantuotannon kasvihuone- kaasupäästöt ovat seurausta polttoaineiden polttamisesta, jonka päästöihin vaikuttaa käytet- tyjen polttoaineiden lisäksi myös laitoksen hyötysuhde. Heidän mukaansa tarkastelussa voidaan lisäksi huomioida tuotantoyksiköiden ja verkostoiden rakentamisen, ylläpidon ja purkamisen päästöt. Rakennusten energiantuotannon kasvihuonekaasupäästövaikutukset voidaankin ulottaa käsittämään vaiheet aina valmistuksesta ja järjestelmien asentamisesta tai rakentamisesta käyttövaiheeseen ja lopulta loppukäsittelyyn.
IPCC:n (2006, 10–11) mukaan kasvihuonekaasupäästöjen inventaariossa epävarmuutta aiheuttavia tekijöitä löydettiin kahdeksan. Ensimmäisenä mainitaan tietojen epätäydelli- syys, joka johtuu siitä, että päästötietoja ei välttämättä ole saatavilla, koska prosessia ei tunnisteta tai soveltuvaa mittausmenetelmää ei ole olemassa. IPCC:n mukaan epävarmuut- ta aiheuttaa myös käytetyt mallit, jotka yksinkertaistavat todellisuutta käyttämällä keskiar- voja ja arvioita. Epävarmuutta aiheuttaa myös tietojen puute, sillä joissakin tapauksissa tietoja ei vain ole saatavilla, sekä edustavien tietojen puute, jolloin saatava tieto ei vastaa todellisen tilanteen tietoja. Tämä on esimerkiksi tilanne voimalaitoksissa, joissa päästötie- toja kerätään vain tilanteissa, joissa laitosta ajetaan täydellä kapasiteetilla, mutta ei käyn- nistys- tai alasajovaiheessa. IPCC:n mukaan virhettä aiheuttavat myös tilastollinen satun- naisvirhe, virheellinen päästöluokittelu, mittausvirhe sekä mittauksista saadut puutteelliset tiedot, koska esimerkiksi mitattavat arvot voivat olla niin pieniä, että käytetty mittari ei niitä havaitse.
